AT520764A1

AT520764A1 - Verfahren zur Herstellung eines Lederersatzstoffes

Info

Publication number: AT520764A1
Application number: ATA51050/2017A
Authority: AT
Original assignee: Univ Innsbruck; Schoeller Gmbh & Co Kg
Priority date: 2017-12-19
Filing date: 2017-12-19
Publication date: 2019-07-15
Also published as: AT520764B1; EP3728724A1; WO2019119009A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Lederersatzstoffes, umfassend die Schritte: Behandlung von Wolle in einer Mischung, welche Calciumchlorid, Wasser, Ethanol und ein Reduktionsmittel umfasst und einen pH von zwischen 6 bis 8 aufweist, wobei zumindest ein Teil des Keratins der Wolle aufgelöst wird; Regenerieren des Keratins durch Zugabe eines Überschusses an Wasser; Formen des Keratins in die gewünschte Gestalt.

Description

ZUSAMMENFASSUNG

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22168-AT

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES LEDERERSATZSTOFFES

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Lederersatzstoffs sowie einen durch dieses Verfahren hergestellten Lederersatzstoff.

Hintergrund der Erfindung

Erzeugnisse aus Leder oder Kunstleder kommen in zahlreichen Bereichen wie z.B. als Bekleidung oder für die Innenausstattung zum Einsatz. Während echtes Leder ein Naturprodukt ist, welches zahlreiche hervorragende Eigenschaften aufweist, bestehen ethische Bedenken, die mit der Aufzucht und Tötung von Tieren zur Gewinnung von Leder verbunden sind. Für Kunstleder kommen Kunststoffe wie PVC zum Einsatz, welche aus Umweltschutzgründen ebenfalls bedenklich sind. Auch sind die Eigenschaften hinsichtlich Feuchtigkeitsaufnahme, Tragekomfort oder Stabilität von solchem Kunstleder nicht mit Naturleder vergleichbar. Schließlich bestehen Vorbehalte gegen das Tragen von synthetischem, auf PVC-basierendem Kunstleder.

Es besteht daher ein zunehmender Bedarf an Lederersatzstoffen, die einerseits mit Echtleder vergleichbare Eigenschaften aufweisen, die aber ethisch unbedenklich sind.

Kurzbeschreibung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Lederersatzstoffes, welcher zu Echtleder vergleichbare Eigenschaften aufweist und ethisch unbedenklich ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Lederersatzstoffes, umfassend die Schritte:

• Behandlung von Wolle in einer Mischung, welche ein Quellmittel und ein Reduktionsmittel umfasst und einen pH von zwischen 6 bis 8 aufweist, wobei zumindest ein Teil des Keratins der Wolle aufgelöst wird, • Regenerieren des Keratins, vorzugsweise durch Zugabe eines Überschusses an Wasser • Formen des Keratins in die gewünschte Gestalt.

Bevorzugt ist das Quellmittel eine Mischung aus Calciumchlorid, Wasser, Ethanol.

Bei der Behandlung von Wolle mit einer Mischung aus Quellmitteln, insbesondere einer Mischung aus Calciumchlorid, Wasser und Ethanol, kommt es zur Quellung des

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Keratins aus der Wolle. Die Zugabe des Reduktionsmittels führt zum Aufbrechen der intra- und intermolekularen Disulfidbindungen zwischen den -SH Gruppen der Cysteinreste von Keratin. Die Regenerierung des Keratins erfolgt bevorzugt durch Zugabe von Wasser, sodass das gelöste Keratinprotein wieder als Festkörper ausbildet. Durch entsprechendes Formen kann das Keratin in die gewünschte Form gebracht werden.

Die molare Mischung zwischen Calciumchlorid : Wasser : Ethanol (CWE) beträgt bevorzugt zwischen 1 (CaCI₂) : 5 bis 7 (Wasser) : 1 bis 3 (Ethanol), vorzugsweise etwa 1:6:2.

Eine alternative Mischung als Quellmittel umfasst LiBr und Harnstoff.

Als Reduktionsmittel kommen sämtliche Reduktionsmittel in Frage, welche Disulfidbrücken aufbrechen können. Beispielsweise kann das Reduktionsmittel eine -SH Gruppe aufweisen. Vorzugsweise handelt es sich um Mercaptoessigsäure oder ein Salz davon (Thiolglycolat).

Vor dem Regenerieren kann außerdem ein Filtrationsschritt vorgesehen sein, um unlösliche Stoffe abzutrennen.

Es besteht einerseits die Möglichkeit das Keratin vollständig aufzulösen und anschließend zu regenerieren.

In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass nur ein Teil der Wolle aufgelöst wird und dass der nichtgelöste Teil der Wolle beim Regenerieren und Formen des Keratins in die gewünschte Gestalt in den Lederersatzstoff integriert wird.

Der ungelöste Teil der Wolle kann dann eine Matrix für den Lederersatzstoff bilden. Die Matrix kann durch geeignete Anordnung der Fasern der Wolle, z.B. durch Kreuzung der Fasern, eine entsprechende Stabilität verleihen.

Alternativ dazu kann natürlich auch eine Nichtwoll-Matrix eingesetzt werden (z.B. ein Gewebe oder dergleichen). In diesem Fall wird die Nichtwoll-Matrix in den Composit eingearbeitet.

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Die Matrix kann unabhängig davon, ob es reine Wolle, eine Nichtwoll-Matrix oder eine Mischung davon ist, z.B. ein Vlies, ein Tuch, ein Gewebe, ein Gestrick oder ein flächiges Gebilde sein. Beispielsweise kann eine Fasermischung vorliegen.

Bevorzugt ist ein Oxidationsschritt mit oder nach der Regenerierung vorgesehen. Dies dient dazu, die freien -SH Gruppen im regenerierten Keratin wieder -S-SDisulfidbrücken auszubilden. Die Oxidation kann durch Luftsauerstoff oder durch Zugabe eines Oxidationsmittels erfolgen.

Die Erfindung betrifft außerdem einen Lederersatzstoff erhältlich nach dem zuvor genannten Verfahren. Außerdem betrifft die Erfindung einen Lederersatzstoff, umfassend regeneriertes Keratin aus Wolle.

Der Lederersatzstoff kann eine Matrix aus Wolle aufweisen, wobei die Matrix in das regenerierte Keratin eingebettet ist.

Der Lederersatzstoff kann alternativ dazu oder in Kombination dazu eine NichtwollMatrix aufweisen, welche in das regenerierte Keratin eingebettet ist.

Da der Lederersatzstoff nach der Herstellung ähnlich wie natürliches Leder hart ist, wird bevorzugt ein Weichmacher zugesetzt, um den Lederersatzstoff geschmeidig zu machen.

Der Weichmacher kann z.B. Glycerin und / oder Öle umfassen.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Jährlich werden ca. 80 Millionen Tonnen Textilfasern, wie z.B. Polyester, Baumwolle, Polyamid verarbeitet. Innerhalb dieser Menge halten Wollfasern nur einen geringen Anteil an einem Produktionsvolumen mit ca. 1,16 Millionen Tonnen Wolle (2015). Die hohe Feuchtigkeits-Sorptionskapazität von Wolle führte in jüngerer Zeit zu einer Wiederbelebung von Wollkleidung. Der Durchmesser der Wollfasern, der auch den Wert und die Anwendung bestimmt, variiert von superfeiner Merinowolle (< 16 μm) zu grobem Haar/grober Wolle (> 25 μm). Da nur wenige Anwendungen für grobe Wolle bekannt sind und bei der Wollverarbeitung auch Abfälle auftreten, die nicht verarbeitbar sind, kann ein erheblicher Teil dieses natürlichen Werkstoffs nicht verarbeitet werden.

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Die gegenständliche Erfindung ermöglicht nunmehr auch die Verwertung von grober Wolle und Wollabfällen, die ansonsten nicht verwertbar waren.

Es ist bekannt, dass in wässrigem Medium Wolle bei einem pH von 12 in Gegenwart von Thioglykolat als Reduktionsmittel aufgelöst werden die Ausfällung durch Zugabe von Essigsäure initiiert werden kann. Auch ist die Behandlung von Haaren mit alkalisch reduzierenden Lösungen, z.B. Ca(OH)₂, Ca(HS)₂ zur Entfernung von Haaren aus Häuten während der Lederproduktion bekannt.

Die Erfinder haben hier allerdings erstmals gefunden, dass die Verwendung einer synergistischen Mischung aus CWE und eines Reduktionsmittels wie Thioglykolsäure (CWET) zur Auflösung von Wollkeratin geeignet ist und durch Regeneration und Formgebung die Herstellung eines All-Keratin-Komposits erlaubt. Die Auflösung von Wolle im System CWE und Thioglykolsäure wurde als Funktion von pH, Temperatur und Zeit charakterisiert. Regeneriertes Keratin wurde durch FTIR-Spektroskopie und Wassersorptionseigenschaften charakterisiert. Der Prozess der Auflösung und Regeneration wurde dann in Kombination mit Wollfasern verwendet, um All-KeratinKomposites herzustellen, welche durch Laser-Scanning-Mikroskopie, FTIR und hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften, der Feuchtigkeitssorption und der Wasseraufnahme charakterisiert wurden.

Experimenteller Teil

Chemikalien und Reagenzien

Es wurden folgende Chemikalien verwendet: Thioglykolsäure (> 98% wt, Merck Schuchhardt OHG, Hohenbrunn, Deutschland); CaCl2x2H₂0 (> 99 Gew .-%), Bromthymolblau und Ethanol (> 99,9 Gew .-%, Merck Darmstadt, Deutschland), CaThioglykolat-Trihydrat (> 98 Gew .-%) und Ammoniumthioglykolat (ca. 60 Gew .-% Sigma-Aldrich, Steinheim, Deutschland); NH₃; (>25 Gew .-%), HCl (25 Gew .-%, VWR International, Briare, Frankreich); Coomassie Blue G-250 (Fluka, Buchs, Schweiz). Wollfasern wurden als vorgewaschene unbehandelte Wolle von Schoeller Textil (Hard, Österreich) eingesetzt.

Mikroskopie und FTIR-Spektroskopie

Zur Überwachung von Fasern, Regeneraten und Kompositen wurden ein Lichtmikroskop (CX41, Olympus, Tokio, Japan) und ein 3D-Laser-ScanningKonfokalmikroskop (VK-X200 Keyence, Osaka, Japan) verwendet.

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Infrarotspektren wurden mittels abgeschwächter Totalreflextion (attenuated total reflection ATR) mit einem FTIR-Spektrometer (Bruker Vector 22 FTIR Spektrometer, Spektralbereich 4000 bis 400 cm^-1), welches mit einer Diamantkristalleinheit ausgestattet war, aufgezeichnet.

Potentiometrische Titration des Lösungsmittels (CWET)

Zur Bestimmung des Redoxpotentials als Funktion des pH der Lösungen wurden 100 ml CWE-Lösungsmittel unter Zusatz von Thioglykolsäure (CWET) hergestellt. Zu einem Gemisch aus 37,3 g CaCI₂ 2 H₂O, 27,4 g H₂O und 23,4 g Ethanol wurden ein Farbindikator (2 ml Bromthymolblau, 0,1 g pro 100 ml) und 4 ml Thiogylkolsäure zugegeben. Die pH- und Redoxelektroden wurden in die Lösung eingetaucht und das Gefäß mit Kunststofffolie versiegelt. Titrationen wurden bei 60^QC durch direkte Zugabe von 0,25 ml Portionen wässriger NH₃ (25 Gew. %) durchgeführt. Der pH-Wert wurde mit einem Potentiometer (Zeller MP 225, Hohenems, Österreich) bestimmt.

Das Redoxpotential wurde mit einer Pt-Elektrode und einer Ag / AgCI, 3 M KCIReferenzelektrode (Sen Tix ORP 3M KCl, WTW, Weilheim, Deutschland) gemessen. Zur Kalibrierung wurde ein Hexacyanoferrat-Redoxpuffer hergestellt (0,528 g K₄ [Fe (CN) ₆], 0,411 g K₃ [Fe (CN) ₆], 0,180 g KH₂PO₄, 0,390 g Na₂HPO₄ in 100 ml).

Stabilität von CWET

Stabilität des Lösungsmittelsystems in Gegenwart von Wolle: 100 ml CWEThioglykolsäure-Lösungsmittel CWET (37,3 g CaCI₂-2H₂O, 27,4 g H₂O, 23,4 g Ethanol, 2 ml Farbindikator (Bromthymolblaulösung, 0,1 g pro 100 ml), 4 ml Thiogylkolsäure) wurden auf 40 °C oder 60 °C erhitzt. Der pH-Wert wurde durch Zugabe von NH₃ auf pH 7 ± 0,3 eingestellt, und 0,5 g Wolle wurden dem Lösungsmittel zugesetzt. Der pH-Wert und das Redoxpotential wurden in regelmäßigen Abständen für eine Dauer von 90 min gemessen. Am Ende des Experiments wurden die Lösungen durch einen Papierfilter filtriert und die Regenerierung des gelösten Proteins wurde durch Zugabe von 100 ml deionisiertem Wasser initiiert. Das unlösliche Material im Filter und das Regenerat wurden gesammelt, mit entionisiertem Wasser gespült und bei 80 °C getrocknet. Die Masse der unlöslichen Materie und des Regenerats wurden dann durch das Wiegen bestimmt.

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Lösungskapazität von CWET

Zunächst wurden eine Menge von 22 g CWE-Lösung 9,31 g CaCI₂ 2H₂O, 6,85 g H₂O, 5,84 g Ethanol, 0,5 ml Farbindikator (Bromthymolblau, 0,1 g pro 100 ml), dann 1 ml Thiogylkolsäure und 1 ml NH₃ wurden zugegeben und dann wurde der pH-Wert durch tropfenweise Zugabe von NH₃ auf pH 6-7 eingestellt. Die Auflösungstests wurden mit 0,2 bis 0,8 g Wolle pro 10 g Lösungsmittel bei 60 °C über Nacht durchgeführt.

In einem ähnlichen Ansatz wurde die Wirkung der Auflösungszeit durch Behandlung von 0,5 g Wolle in 20 g CWET bei pH 7 untersucht. Die Behandlung wurde bei 60 °C zwischen 1 und 6 Stunden und über Nacht durchgeführt. Unlösliche Teile wurden dann durch Filtration durch einen PES-Screen (offene Breite ca. 0,6 mm) entfernt und in 100 ml mit Wasser ausgefällt. Das Regenerat wurde dann im Ofen bei 80 °C für 1 h getrocknet.

Bestimmung des Proteingehalts in Lösung

Das lösliche Protein wurde durch Photometrie unter Verwendung von Coomassie Blue G-250 Färbung bestimmt. Die Coomassie Blue G-250 Reagenzlösung wurde durch Auflösen von 100 mg Farbstoff in 50 ml Ethanol (95 Gew.-%) hergestellt. Nach Zugabe von 100 ml H3PO4 (85 Gew./Vol.%) Wurde die Lösung durch einen Whatman #1Papierfilter filtriert. Um den in Lösung verbleibenden Proteingehalt zu analysieren, wurden 0,5 g einer CWET-Wollmischung mit 50 ml entionisiertem Wasser verdünnt und filtriert, um ausgefälltes Keratin zu entfernen. Ein Volumen von 10 ml Filtrat wurde dann mit Wasser auf 50 ml verdünnt und 1 ml dieser Lösung wurde mit 1 ml des Coomassie-Reagens gemischt. Die Extinktion wurde bei 595 nm gemessen. Frisch hergestellte CWET-Lösung wurde zur Herstellung eines Blindwertes verwendet.

Eine Masse von 0,5 g Wolle wurde in 20 ml CWET behandelt und Proben wurden zu definierten Zeit bis zu einer maximalen Dauer von 3 Stunden entnommen. Vergleichsversuche wurden durchgeführt, bei denen die Zugabe von Thiogylkolsäure nach einer Vorquellung in CWE für 3 Stunden durchgeführt wurde und bei einem zweiten Ansatz die Menge an Thioglykolsäure in CWET verdoppelt wurde. Die Ergebnisse sind als Mittelwert für eine doppelte Bestimmung angegeben.

Zusammengesetzte Vorbereitung

Wollfaserband (2,0 bis 4,3 g) wurde in einen PE-Plastikbeutel gegeben und ein Volumen von 5 bis 20 ml CWET wurde zugegeben. Der Probenbeutel wurde dann in einen anderen Beutel gegeben, um die Freisetzung von Lösungsmittel zu vermeiden

7/24 und den Zugang von Luftsauerstoff zu verringern. Um das Eindringen des Lösungsmittels in das Wollfaserband zu unterstützen, wurde die Probe dreimal mit einem Laborfourlard (0,5 m min^-1, 3 bar) gequetscht. Die Kompression der Lösungsmittel / Wollproben erfolgte in einer Laborpresse (Serivtec, Polystat 200 T) für 10-20 min bei 60 °C und 10 bar. Nach dem Pressen wurden die Proben aus dem Beutel entfernt und in überschüssigem Wasser gespült, um gelöstes Keratin zu koagulieren und das Lösungsmittel zu entfernen. Die feuchten Proben wurden dann zwischen einem absorbierenden weichen Papier fixiert und bei Raumtemperatur über Nacht getrocknet.

Feuchtigkeitsrückgewinnung und Wasserrückhaltewert

Zur Bestimmung der Feuchtigkeitsrückgewinnung der Proben wurden Wolle oder Verbundwerkstoffe gemahlen und im Normalklima (20 °C, 65% rF) gelagert, gewichtet (Wmoist), bei 105 °C für 4 h getrocknet, im Exsikkator abgekühlt und wieder gewogen (Wdry). Der Feuchtigkeitsgehalt wurde nach Gleichung 1 berechnet.

w_moist-w_dry * _10Q w dry

Zur Bestimmung des Wasserrückhaltewertes wurden 0,3 g Probe in entionisiertes Wasser gegeben und über Nacht geschüttelt. Die Proben wurden dann filtriert und das Kapillarwasser wurde durch Zentrifugation für 10 min bei 4000 g (5580 U min^-1, Wollfasern bei 2000 g, 4000 U min^-1) entfernt. Die Proben wurden dann gewogen (w_wet) und bei 105 °C für 4 h getrocknet. Nach dem Abkühlen im Exsikkator wurde das Gewicht der getrockneten Proben bestimmt (Wd_ry). Der Wasserrückhaltewert wurde nach Gleichung 2 berechnet.

w_wet-w_dry * ₁₀₀

Wdry

Die Zugfestigkeit und die Bruchdehnung wurden mit einer universellen Prüfmaschine (Instron Universal Tester, Instron, Norwood, USA) bestimmt. Aus den Verbundwerkstoffen wurden Proben mit einer Abmessung von 4 cm Länge und einer Breite von 1 cm hergestellt. Zugfestigkeitsexperimente wurden mit einer Geschwindigkeit von 1 cm min^-1 durchgeführt, ohne Vorspannung (Tests wurden zumindest als Doppelbestimmung durchgeführt). Die Dicke der Proben wurde mittels einer Schiebelehre gemessen.

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Ergebnisse und Diskussion

Stabilität des CWET-Lösungsmittels

Die potentiometrische Titration des CWET wurde durchgeführt, um die Wechselwirkung zwischen dem pH-Wert der Lösungen und dem Reduktionspotential von Thioglykolsäure zu untersuchen und die Empfindlichkeit des Lösungsmittels hinsichtlich der Oxidation zu analysieren. Als Ergebnis des Vorhandenseins von Disulfidgruppen reduzierenden Bedingungen im CWET-System wird eine reduktive Spaltung der Disulfidgruppen von Keratin initiiert. Um alkalische Bedingungen mit möglicher Hydrolyse des Keratins zu vermeiden, wurde dem CWET-Lösungsmittel eine Lösung von Bromthymolblau als Farbindikator zugesetzt. Die Farbe von Bromthymolblau wechselt von gelb nach blau im pH-Intervall von 5,8 - 7,6, so dass grüne Farbe verwendet wurde, um einen nahezu neutralen Lösungsmittel-pH-Wert von 6 - 7 anzuzeigen.

Das Konzept des pH-Wertes ist tatsächlich auf eher verdünnte Lösungen beschränkt, doch die Verwendung der Glaselektrode erlaubt noch eine Angabe der [H⁺] - Aktivität und ist somit für die Definition und Analyse der im CWET-System vorherrschenden experimentellen Bedingungen sinnvoll.

Fig. 1 zeigt die Regeneration von Keratin als Funktion der Auflösungszeit. Anteil von regeneriertem () Keratin, (·) unlöslichen Teilen und (A) nicht regenerierbarem gelöstem Protein als Funktion der Behandlungszeit in CWET.

Fig.2 zeigt FITR-Spektren von unbehandelter Wolle, aus CWET nach 1 h und 3 h der Auflösungsbehandlung regeneriertes Keratin und entsprechende unlösliche Teile nach 20 h Behandlung in CWET getrennt.

Fig. 3 zeigt WRV und MC in Verbundwerkstoffen als Funktion der Masse der verwendeten CWET pro 1 g Wolle.

Fig. 4 zeigt FTIR-ATR-Spektren von Keratin-Kompositen und Wolle im Wellenlängenbereich von 4000 cm-1 bis 500 cm-1.

Fig. 5 zeigt Mikrophotographie von unbehandelter Wolle mit Laser-ScanningMikroskop.

Fig. 6 zeigt Mikrophotographie eines Composites mit Glycerin als Weichmacher mit Laserscanning-Mikroskop.

Fig. 7 zeigt Mikrophotographie eines Composites mit Öl als Weichmacher mit Laserscanning-Mikroskop.

Fig. 8 zeigt Mikrophotographie eines Composites mit Öl als Weichmacher mit Laserscanning-Mikroskop.

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Aus den Titrationskurven wurden Korrelationskoeffizienten von 0,986 - 0,994 erhalten, was einer Redoxreaktion gemäß den Gleichungen 1 und 2 entspricht. Somit ist die Reduktionsreaktion von Thioglykolsäure und Ammoniumthioglykolat in CWE ähnlich dem Verhalten in verdünnter wässriger Lösung, bei der eine Abnahme des Lösungspotentials bei höherem pH-Wert beobachtet wurde

HS-CH₂-CO₂H j---► (S-CH₂-CO₂H)₂ + 2 e- + 2 H⁺ (1)

HS-CH₂-CO₂- ---► (S-CH₂-CO₂ )₂ + 2 e- + 2 H⁺ (2)

Basierend auf diesen Ergebnissen wurde die Stabilität von CWET in Gegenwart von Wolle hinsichtlich Redoxpotential und pH-Wert für einen Zeitraum von 90 min bei 40 °C und 60 °C untersucht. Daraus ergab sich ein stabiles Redoxpotential für mindestens 90 min bei 60 °C. In einem weiteren Experiment bei 60 °C wurde auch bei einer Dauer von 180 min ein stabiles Redoxpotential von -555 mV beobachtet. Änderungen des Lösungs-pH-Wertes während eines Experiments blieben innerhalb eines Bereiches von ± 0,1 pH-Einheiten stabil. Dies deutet darauf hin, dass unter den gewählten experimentellen Bedingungen negative Effekte auf die Auflösungsreaktion durch Luftoxidation oder pH-Wechsel von untergeordneter Bedeutung sind.

Die Ergebnisse zeigen, dass in Gegenwart von Wolle ein stabiles Redoxpotential von -520 mV bis -550 mV in Lösung hergestellt wird, was ausreicht, um die in der Wolle vorhandenen Disulfidbindungen zu reduzieren. Stabile Lösungsbedingungen wurden insbesondere bei einer Lösungstemperatur von 60 °C beobachtet, wobei innerhalb der ersten 10 min ein Redoxpotential von weniger als -550 mV erreicht wurde. Die Gesamtlöslichkeit und das regenerierte Keratin wurden beide durch eine gravimetrische Analyse des gewonnenen Keratins und des unlöslichen Materials bestimmt. Abhängig von der Temperatur zwischen 46,2 ± 5,9% (40 °C) und 42,6 ± 6,9% (60 °C) konnte aus einem Volumen von 100 ml CWET-Lösung eine Gesamtmasse von 0,5 g Wolle regeneriert werden. Unlösliche Teile wurden mit 34,4 ± 4,5% (40 °C) und 23,9 ± 6,7% (60 °C) bestimmt. Ein Teil des gelösten Keratins konnte während der Verdünnung des CWET nicht ausgefällt werden und blieb im gelösten Zustand (19,4 ±1,4% (40 °C) und 33,5 ± 10,2% (60 °C)) (Fig. 3).

Um die Löslichkeit von Wolle in CWET zu untersuchen, wurde die Menge an Wolle, die in CWET vorhanden war und die Zeit der Auflösung variiert. Im Konzentrationsbereich von 0,2 - 0,8 g Wolle pro 22 g CWET blieb der Anteil der regenerierten Wolle und der

10/24 gefilterten unaufgelösten Materie nahezu konstant, nur die Menge der gelösten nicht regenerierbaren Proteine nahm mit der Menge der Wolle zu.

Die Ergebnisse zeigen, dass nur ein Anteil von etwa 40% der Woll-Keratin in CWET löslich ist, während ein fast konstanter Teil unlöslich oder als nicht regenerierbares Protein im Lösungszustand bleibt. Die Abnahme der Regeneration bei einer höheren Wollmasse ist auch auf die Bildung von gelähnlichen Komponenten zurückzuführen, die schwer zu filtern sind und zu den nicht gelösten Teilen beitragen.

Eine mögliche Zersetzung des Proteins durch Hydrolyse wurde in einer Reihe von Lösungsversuchen mit längerer Behandlungszeit untersucht. Eine Erhöhung der löslichen und nicht regenerierbaren Keratinproteine sollte auf einen hydrolytischen Abbau des gelösten Keratins hindeuten. Ergebnisse von Auflösungsversuchen von 0,5 g Wolle in 20 g CWET sind in Fig. 1 gezeigt.

Die Menge an nicht aufgelösten Faserkomponenten nimmt mit der Behandlungszeit auf weniger als 20% ab, jedoch wird nach 3 - 4 Stunden keine weitere Erhöhung des regenerierten Keratins beobachtet, wobei ein Maximum an gelöstem und regeneriertem Keratin mit 50 - 55% der Gesamtmasse der Wolle erreicht wird. Die Menge an nicht regenerierbarem Protein bleibt unter 20% der Gesamtmasse der Wollfaser und beginnt nach 4 Stunden Behandlung zu erhöhen, was auf die Tendenz zum hydrolytischen Abbau von Keratin in CWET hindeutet.

Der Proteinfärbungstest mit Coomassie Blue G-250 wurde zur weiteren Analyse der Proteinverluste als lösliches Material während der Regeneration verwendet. In diesen Experimenten wurde der relative Proteingehalt als Funktion der Behandlungszeit in CWET untersucht. Zum Vergleich werden auch Experimente mit 3 Stunden vorhergehender Quellung in CWE und Experiment mit doppelter Menge Thioglykolsäure gezeigt.

Die Coomassie-Tests zeigten eine kontinuierliche Zunahme der löslichen Proteine mit der Zeit der CWET-Behandlung. Experimente mit einer längeren Behandlungszeit von 5 Stunden und 20 Stunden zeigen eine weitere Erhöhung der löslichen Proteine an, die mit den in Fig. 1 gezeigten Ergebnissen übereinstimmt.

Der Einfluss des pH-Werts der CWET-Lösung wurde durch Auflösungsversuche in CWET mit unterschiedlichem pH-Wert (pH 6,3, pH 7,3 und pH 7,9) untersucht. Das in

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Lösung gemessene Redoxpotential sank mit einem pH-Wert von -245 mV (pH 6,3) auf -437 mV (pH 7,3) und -586 mV (pH 7,9). Die Masse der regenerierten Keratin isoliert nach der Behandlung für ca. 20 Stunden sank entsprechend von 59,8% (pH 6,3) auf 59,4% (pH 7,3) und 21,8% bei pH 7,9. Die Coomassie-Färbung zeigte auch einen wesentlich höheren Gehalt an gelösten Proteinen für CWET mit einem pH-Wert von 7,9, während Lösungen mit pH 6,3 und 7,3 einen geringeren Gehalt an löslichem Protein zeigten.

Die FTIR-Analyse der Regenerate und der unlöslichen Teile wurde durchgeführt, um mögliche Veränderungen der Proteinstruktur während der Auflösungsexperimente zu untersuchen und Unterschiede zwischen dem regenerierten Keratin und den unlöslichen Teilen der Wollprobe zu identifizieren. Zum Vergleich wird auch das FTIRSpektrum der unbehandelten Wolle gezeigt (Fig. 2). Für einen besseren Vergleich der Spektren wurde ein Versatz in Richtung der y-Achse durchgeführt.

Die FTIR-Spektren zeigen keine signifikanten Veränderungen zwischen der unbehandelten Wolle und den Regeneraten. Auch nach einer 20-stündigen Behandlung in CWET sind auch nur geringfügige Unterschiede zwischen den Wollfasern und den nicht gelösten Teilen nachweisbar. Die Gründe für die beobachtete unvollständige Auflösung von Wolle sind noch unklar. Sättigungseffekte können ausgeschlossen werden, da der unlösliche Teil der Wollfasern unabhängig von der zu lösenden Wolle und der Auflösungszeit ist.

Vorbereitung aller Keratinkomposite

Wenn die Keratin-Auflösung und -Regeneration in Gegenwart eines Überschusses an Wollfasern durchgeführt wird, dient das koagulierte Keratin als Bindemittel zwischen den Wollfasern und es wird ein All-Keratin-Komposit erhalten. In einer Reihe von Kompositpräparationsversuchen wurde die Masse der verwendeten CWET in Bezug auf die Wollfasern und die Zeit der Verfestigung unter Druck variiert, um den jeweiligen Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften des Verbundstoffs zu identifizieren (Tabelle 1). Neben der Verbundbildung mit paralleler Orientierung der Wollfasern wurden auch Proben mit 90 ⁰ gekreuzter Faserrichtung hergestellt. Die Proben wurden durch Laser-Scanning-Mikroskopie und hinsichtlich der physikalischen Festigkeit und Dehnung charakterisiert. FTIR-Spektren des Keratin-Verbundwerkstoffs, Feuchtigkeitssorption und Wasserretentionswert wurden ebenfalls aufgezeichnet.

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Aufgrund des Herstellungsverfahrens ist die Variation der physikalischen Eigenschaften der Verbundproben beträchtlich hoch, was auch durch Schwankungen der Dicke zwischen 0,40 und 0,65 mm angedeutet ist. In der Probe zeigte sich, dass eine Masse von 1,6 g CWET pro 1 g Wolle nicht ausreicht, um eine gesamte Verbundstruktur zu bilden. Wenn 2,6 - 3,2 g CWET verwendet wurden, wird eine Verbundstruktur gebildet und TS erhöht sich auf 60 N. Höchste Werte von TS wurden beobachtet, wenn mehr als 4 g CWET für 1 g verwendet wurden Wolle.

Eine besondere Eigenschaft von keratinbasiertem Material ist die Fähigkeit, erhebliche Mengen an Feuchtigkeit zu absorbieren und in Wasser zu quellen. So wurden mögliche Veränderungen der Feuchtigkeitssorption und des Wasserrückhaltewertes analysiert.

Der WRV ist vor allem ein Indikator für flüssiges Wasser, das in stark geschwollenen Teilen des Materials gelagert wird. Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Erhöhung des Wasserrückhaltewertes (WRV) trotz der Tatsache, dass die unbehandelten Wollfasern mit geringerer Zentrifugalkraft zentrifugiert worden waren. Für die Wollreferenzfasern wurde ein Wert von etwa 37,9 ± 1,1% ermittelt, der nach der Behandlung in CWET auf 54 - 70% ansteigt. Dies lässt sich mit einer höheren Menge an kleinen Poren erklären, die flüssiges Wasser und mit höherer Quellung der besser zugänglichen Keratin Struktur sammeln können. Die höhere Zugänglichkeit der Struktur führt auch zu einer erhöhten Feuchtigkeitssorption unter Bedingungen des Standardklimas (20 ⁰ C 65% r.h.).

Wenn WRV und MC mit der Menge an eingesetztem CWET pro 1 g Wolle Zusammenhängen, wird ein Maximum an wasserbedingter Aufnahme in der Nähe von 4,3 g CWET pro 1 g Wolle beobachtet, was anzeigt, dass ein hoher Grad an Faserzersetzung und eine offene Struktur erhalten wurde Bei niedrigeren Werten scheint die zusammengesetzte Form unvollständig zu sein, während bei höheren Niveaus von CWET pro g Wolle die Kompaktheit der Struktur zu einer Verringerung von WRV und MC führt (Fig. 3). So wurden für Probe 3 mit dem höchsten Verhältnis von CWET pro g Wolle bereits niedrigere Werte von WRV und MC erhalten.

FTIR-ATR-Spektren der Keratin-Kompositen wurden durchgeführt, um mögliche Veränderungen der chemischen Struktur des Keratins zu identifizieren (Fig. 4). Zum Vergleich wird auch das FTIR-ATR-Spektrum der unbehandelten Wolle gezeigt. Es

13/24 wurde kein signifikanter Unterschied in den Spektren hinsichtlich des Auftretens von Peaks oder einer signifikanten Verschiebung der Extinktion beobachtet.

Bei den mit dem Laserscanningmikroskop erhaltenen Mikrophotographien kann die durch regenerierte Keratine und unlösliche Wollfasern gebildete Verbundstruktur erkannt werden. Abhängig von der eingesetzten Menge an CWET wird die Verbundstruktur kompakter. In allen Mikrophotographien wird eine hohe Anzahl von Poren nachgewiesen, die die erhebliche Erhöhung des Wasserrückhaltevolumens erklären.

Die Auflösung von Wollfasern wurde in einer konzentrierten CaCI₂ / Wasser / EthanolLösung, die Thioglykolsäure enthielt, bei neutralem pH-Wert erreicht. Ähnlich wie bei der Auflösung von Fibroin in Ajisawas-Reagenz stabilisiert die konzentrierte Salzlösung das gelöste Protein durch die Bildung einer ionenreichen Hydratationsschicht und die Wechselwirkung mit geladenen und polaren Gruppen von Keratin. Die Anwesenheit von Thioglykylsäure ist erforderlich, um die von Wolle vorhandenen disulfiden Bindungen zu spalten. Redoxpotentialmessungen zeigten eine ausreichende Stabilität des Lösungsmittels gegenüber oxidativen Effekten für die Dauer des Auflösungsexperiments. Insgesamt werden 50% der Wollfasern nach 3 Stunden Behandlung bei 60 °C aufgelöst, unabhängig von der Menge an Wolle, wobei ein Anteil von 30% der Wollfasern als unlöslicher Rückstand geblieben ist. Die Verdünnung der Keratinlösung mit Wasser führt zur Proteinregeneration, wobei jedoch 20% am wahrscheinlichsten Proteine mit niedrigerem Molekulargewicht in Lösung geblieben sind.

Wenn die Auflösungs- und Regenerationsexperimente in Gegenwart eines Überschusses an Wolle durchgeführt werden, kann ein All-Keratin-Verbund durch Konsolidierung unter Druck erhalten werden. Die Verbundwerkstoffe werden als Kombination aus regeneriertem Keratin und unlöslichen Wollfasern aufgebaut.

Während die FTIR-Analyse anzeigt, dass keine signifikanten Veränderungen im Protein auftraten, wurde eine beträchtliche Erhöhung des Wasserrückhaltewertes und der Feuchtigkeitssorption beobachtet, was mit der hochporösen Struktur des Verbundwerkstoffs und der erhöhten Oberfläche des regenerierten Keratins erklärt werden kann.

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Die Technik zeigt ein neues Verfahren zur Formgebung von 100% keratinbasiertem Material an, das sowohl als nachhaltiges biologisch abbaubares Material als auch als Material mit potentiell hoher Biokompatibilität für medizinische Anwendungen, z.B. Gerüste und Implantate.

Anwendungsbeispiel 1

Zur Erzeugung von künstlichem Leder aus Wolle werden Wollvliese oder Gewebe mit einem Lösungs- bzw. Quellmittel bei 60 °C unter 10 bar Druck in einer beheizbaren Presse verdichtet.

Als Quell- und Lösungsmittel wird eine Mischung von 30 g CaCI₂x 2 H₂O, 22 g H₂O, 29 g Ethanol, 8 g Calciumthioglycolat und 12 ml Salzsäure 10% Gew. (pH= 6,75, Redoxpotential = -464 mV, vs. Ag/AgCL, 3 M KCl) verwendet

Die Mischung wird durch ein Walzenquetschwerk in die Ware gepresst, anschließend wird für 20 min bei 60 °C und 10 bar Druck verdichtet. Die Teile werden mit Wasser ausgewaschen und in unterschiedlicher Weise mit weichmachenden Stoffen behandelt.

As beispielhafte Weichmacher können Glycerin oder Öle (z.B. WD-40) verwendet werden. Die Aufbringung kann nach dem Trocknen oder bereits in nassem Zustand erfolgen.

Für die Bestimmung der Reißfestigkeit wurden die Proben in 1cm Streifen geschnitten und in Normalklima (20 °C, 65 % rel. Luftfeuchte) klimatisiert. Die Einspannlänge betrug 20mm. In der folgenden Tabelle sind die Ergebnisse der Zugversuche zusammengefasst.

Nr	Wolle Kammzug g	Lösungsmittel ml	Orientierung	Presse min	HZK (N)	Dehnung %	Flächengewicht g/cm²
20A	3.88	15	X	20	33,4	8,0	0,0671
20B	3,88	15	X	20	4,7	27,0	0,0751
20C	3,88	15	X	20	5,87	23,3	0,0533
20D	3,88	15	X	20	10	15,5	0,054
21A	5,28	15	IIX	20	26	21,8	0,0827
21B	5,28	15	IIX	20	11,5	39,7	0,1069
21C	5,28	15	HX	20	22,2	18,0	0,0639
21D	5,28	15	HX	20	11,1	29,2	0,0762
22A	4,35	15	II	20	61	7,5	0,0503
22B	4,35	15	II	20	20	51,2	0,0726
22C	4,35	15	II	20	12	32,7	0,0455
22D	4,35	15	II	20	21	6,0	0,0422

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23A	4,6	15	Illi	20	8,5	19,0	0,0712
23B	4,6	15	Illi	20	20,2	62,5	0,0885
23C	4,6	15	Illi	20	17,8	59,0	0,0789
23D	4,6	15	Illi	20	27,4	16,5	0,0901

(HKZ = Höchstzugkraft)

Die Angabe der Orientierung bezieht sich auf die Orientierung der Wollfasern bei der Herstellung des Komposits (X = gekreuzt, II = parallel)

Die nachgestellten Buchstaben bezeichnen die unterschiedlichen Nachbehandlungen

A: Behandlung der nassen Proben mit Öl (WD-40)

B: Behandlung der nassen Proben mit Glycerin

C: Behandlung der trockenen Proben mit Öl (WD-40)

D: Behandlung der getrockneten Proben mit Glycerin

Die Nachbehandlungsverfahren mit Glycerin im nassen Zustand, oder mit Öl (WD 40) in an getrocknetem Zustand erlauben die Herstellung eines lederartigen Zustandes.

Anwendungsbeispiel 2

In analoger Weise lassen sich auch lederartige Komposits durch Verdichtung von Kammzug Material mit Wollgeweben erzeugen.

Arbeitsvorschrift: 6 g eines Sandwiches aus Wollstoff (oben) - Kammzug (Mitte) Wollstoff unten, wurde in einem Plastikbeutel mit 10 ml Standardlösungsmittel (30 g CaCI₂x 2 H₂O, 22 g H₂O, 29 g Ethanol, 8 g Calciumthioglycolat und 12 ml Salzsäure 10 %Gew. (pH= 6,75, Redoxpotential = -464 mV, vs. Ag/AgCL, 3 M KCl)) imprägniert, 20 min bei 60° und 10 bar Druck in einer hydraulischen Presse gepresst, ausgewaschen und getrocknet.

Im trockenen Zustand wurden die Muster in vier Teile geteilt und mit Lederöl, Spulenöl und WD 40 behandelt. Alle Proben wurden dadurch weniger spröde, flexibler. Die Höchstzugkraft ZK variiert von 50 N (Lederöl, Spulenöl), über 60 N (Schuhcreme) bis 65 N mit WD40.

Anwendungsbeispiel 3

Ein 10 g eines Wollvlieses werden mit 20 ml Standardlösungsmittel (30 g CaCI₂ x 2 H₂O, 22 g H₂O, 29 g Ethanol, 8 g Calciumthioglycolat und 12 ml Salzsäure 10 %Gew. (pH= 6,75, Redoxpotential = -464 mV, vs. Ag/AgCL, 3 M KCl)) imprägniert und 20 min bei 100° und 10 bar Druck in einer hydraulischen Presse gepresst.

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Das Muster wird anschließend mit einer Mischung von verdünnter Zitronensäure (5 g/l) und Wasserstoffperoxid 30 % (5 ml/l) ausgewaschen.

Das Muster wird anschließend geteilt und wie in Anwendungsbeispiel 1 mit den weichmachenden Stoffen behandelt, es wird ein lederartiger Charakter erreicht.

Ohne Behandlung mit weichmachenden Stoffen weist das Komposite-Material einen spröden und harten Charakter auf.

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Claims

ANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung eines Lederersatzstoffes, umfassend die Schritte:

• Behandlung von Wolle in einer Mischung, welche Calciumchlorid, Wasser, Ethanol und ein Reduktionsmittel umfasst und einen pH von zwischen 6 bis 8 aufweist, wobei zumindest ein Teil des Keratins der Wolle aufgelöst wird, • Regenerieren des Keratins durch Zugabe eines Überschusses an Wasser • Formen des Keratins in die gewünschte Gestalt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die molare Mischung zwischen Calciumchlorid : Wasser : Ethanol 1 : 5 bis 7 : 1 bis 3, vorzugsweise 1:6:2 beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel eine -SH Gruppe aufweist und vorzugsweise Mercaptoessigsäure oder ein Salz davon umfasst.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Teil der Wolle aufgelöst wird und dass der nichtgelöste Teil der Wolle beim Regenerieren und Formen des Keratins in die gewünschte Gestalt in den Lederersatzstoff integriert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Lederersatzstoff anschließend mit einem Weichmacher behandelt wird.
6. Lederersatzstoff erhältlich nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
7. Lederersatzstoff, umfassend regeneriertes Keratin aus Wolle.
8. Lederersatzstoff nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Matrix aus Wolle, wobei die Matrix in das regenerierte Keratin eingebettet ist.
9. Lederersatzstoff nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Nichtwoll-Matrix, wobei die Nichtwoll-Matrix in das regenerierte Keratin eingebettet ist.
10. Lederersatzstoff nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch einen Weichmacher.

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